「グレッツェル」太陽電池が新記録を達成 (“Gratzel” solar cells achieve a new record)

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2022-10-27 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)(ローザンヌ工科大学)

extended data figure 1

・ EPFL が、新設計の色素増感型太陽電池(Dye-sensitized solar cells: DSCs)で、直射日光下で 15%超、環境光下で 30%のエネルギー変換効率を達成。
・ DSCs は、1999 年に米国の化学者のブライアン・オレガン氏と EPFL の化学者のマイケル・グレッツェル氏が共同で発明し、後者の名前をとって「グレッツェルセル」とも呼ばれている。
・ DSCs では、ナノ結晶性のメソポーラス(多孔質)な二酸化チタン(TiO2)のフィルムの表面に吸着させた増感色素による光励起で電子が発生し、酸化物のナノ結晶アレイに注入されて発電する。
・ 光増感剤や他構成要素の進展により、直射日光と環境光の両方の条件下での性能が改善されているが、エネルギー変換効率の向上には TiO2 ナノ粒子フィルム表面で電荷発生を促進する色素分子のアセンブリの理解とその制御が重要。
・ 補完的な光吸収能力を持つ 2~3 種類の色素を使用した共増感は、変換効率向上方法の一手段。光スペクトルの全領域より光を吸収することで大幅な向上が可能だが、色素の適切な組合せの特定には煩雑な分子の設計、合成やスクリーニングを要する。
・ 本研究では、新設計の 2 種類の色素分子の充填構造を改良することで、可視域の光を定量的に捕獲して DSCs の光起電性能を向上させる方法を開発。ヒドロキサム酸誘導体の単一層を TiO2 フィルムの表面に予め吸着させて 2 種類の色素分子の吸着速度を低減し、整列集合した高密度の増感層を TiO2 表面に形成する。
・ これにより、500 時間を超える作動安定性と共に標準的なエアマス(AM)1.5 照射条件下で 15.2%のエネルギー変換効率を初めて達成。有効面積を 2.8 ㎠に拡大した場合では、様々な環境光下で 28.4%~30.2%の極めて安定した作動を確認した。
・ DSCs は多様な色味に低コストで製造できることから、天窓、温室やガラスのファサード等に利用されている。また、軽量・フレキシブル型の DSCs は、イヤホンや電子リーダー等のポータブルな電子機器、また、環境光を利用する IoT で大規模に商用展開されている。より高性能の DSCs は、環境光を利用する低エネルギー電子デバイスの電源や電池の代替として期待できる。
・ 本研究には、Horizon 2020 研究・イノベーションプログラムおよびスイス国立科学財団(SNSF)が資金を提供した。
URL: https://actu.epfl.ch/news/gratzel-solar-cells-achieve-a-new-record-2/

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Nature 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells
URL: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05460-z

Abstract

Dye-sensitized solar cells (DSCs) convert light into electricity by using photosensitizers adsorbed on the surface of nanocrystalline mesoporous titanium dioxide (TiO2) films along with electrolytes or solid charge-transport materials1,2,3. They possess many features including transparency, multicolour and low-cost fabrication, and are being deployed in glass facades, skylights and greenhouses4. Recent development of sensitizers5,6,7,8,9,10, redox mediators11,12,13 and device structures14 has improved the performance of DSCs, particularly under ambient light conditions14,15,16,17. To further enhance their efficiency, it is pivotal to control the assembly of dye molecules on the surface of TiO2 to favour charge generation. Here we report a route of pre-adsorbing a monolayer of a hydroxamic acid derivative on the surface of TiO2 to improve the dye molecular packing and photovoltaic performance of two newly designed co-adsorbed sensitizers that harvest light quantitatively across the entire visible domain. The best performing cosensitized solar cells exhibited a power conversion efficiency of 15.2% (which has been independently confirmed) under a standard air mass of 1.5 global simulated sunlight, and showed long-term operational stability (500 h). Devices with a larger active area of 2.8 cm2 exhibited a power conversion efficiency of 28.4% to 30.2% over a wide range of ambient light intensities, along with high stability. Our findings pave the way for facile access to high-performance DSCs and offer promising prospects for applications as power supplies and battery replacements for low-power electronic devices18,19,20 that use ambient light as their energy source.

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